徐沣， 孙绍哲， 刘贺江， 张睿智

（辽宁三三工业有限公司，辽宁 辽阳 111000）

0 引言

盾构法施工以其在复杂地质环境、安全质量、环境保护等方面的优越性，广泛应用于地下隧道建设中［1］。随着地下空间的开发，构建筑物密度也在逐渐提升，利用刀盘直接穿越既有结构桩基的情况越来越多［2］。为保证安全，需进行开舱检查、更换刀具。穿越前往往能够选择合适位置从地面进行隧道加固，满足开舱检修、换刀条件。但穿越过程中因受限于地面构建筑物情况往往较难实施。盾构冷冻是采用在刀盘、盾体内部布置冷冻管并通入制冷剂循环流动，把冷量传入地层，使得地层冻结形成冻结壁［3］，进而增强地层抗压能力的方法。能够有效解决穿越过程中的隧道加固问题，为安全换刀提供保障，解决了截桩过程中存在的加固难，换刀难问题。

冻结法作为地下空间的一种加固方法，已经十分成熟［4］。在冻结壁设计方面，赵捷等［5］通过ANSYS软件建立数值模型，研究了冻结帷幕在设计冻结温度和厚度下的受力性能。胡俊等［6］运用ADINA数值模拟软件，对采用杯型水平冻结法的冻结帷幕温度场进行研究，结果表明采用该工法冻土帷幕厚度能够满足规范要求。

从上述学者的研究中看出，冻结壁设计研究主要集中在联络通道领域，对刀盘、盾体直接冻结形成的冻结壁研究较为薄弱，文中通过冻结壁受到水土压力和刀盘、盾体支撑时的受力确定出合理的冻结壁厚度，并结合数值分析找出换刀危险点，为开舱换刀提供理论依据。

1 工程概况

沈阳地铁4号线沈阳北站-皇寺广场站区间采用盾构法施工，盾构在到达四号线沈阳北站站前需下穿既有二号线沈阳北站站，区间结构与既有车站围护桩位置相冲突，需截断共计约39根桩基，因车站影响，截桩区不具备地面直接加固条件。

盾构直接穿越桩基时极易因混凝土的冲击和钢筋的拖拽产生崩刃和异常磨损现象［7］，造成在穿越桩基过程中存在换刀情况。但因站台主体结构和客流影响，不具备地面加固条件。为顺利穿越截桩区，保证开舱时土体的稳定，采用盾构冷冻作为截桩时开舱换刀的加固措施。

2 刀盘、盾体结构设计

刀盘设计为面板+辐条复合式直角刀盘，保证砂砾地层开挖稳定同时，可在面板上合理增加切桩刀具。在砾砂地层掘进时，减小面板尺寸宽度有利于渣土流动及建立土压，刀盘设计时尽量采用大开口率［8］，适合沈阳地区砾砂地层掘进，渣土流动性好。刀盘结构见图1。

图1 刀盘结构

刀盘为4主4副辐条结构，利用本身结构特点，将刀盘分为4个冷冻区，循环盐水进出管路接口集中布置于刀盘背部中心位置。刀盘结构各板材间夹层作为冷冻腔体，各冷冻腔体采用钢管连接，冷冻腔面积4.4m2。

辐条刀盘因开口较大，需在不易形成冻结交圈的开口位置针对性加焊冻结管，形成额外冻结腔，位置见图2，提高形成的冻结交圈质量。

图2 补充冻结腔位置

盾体结构采用常规环形结构，冻结管布置在盾壳内壁上，成环形布置，盾体冻结腔总长度32.4m，冷冻面积4.8m2土舱具备土舱隔板。

3 刀盘、盾体冻结壁设计

通过在冻结腔中循环-28～-30℃低温盐水，刀盘、盾体外表面温度与盐水温度有大致相同的降温趋势，使外表面形成温度较低的圆盘形冻结壁［9］见图3，冻结壁可预防刀盘周圈、掌子面土体坍塌，并隔绝水流，为开仓换刀提供条件。

图3 冻结壁轮廓

研究冻结法设计的许多学者都采用基于强度条件设计的Lame公式与Domke公式进行计算冻结壁厚度［10］，但因区间使用刀盘与盾体冻结部分长度仅为3.3m，所以不太适合，而其他的计算厚度方法因公式参数较多求解困难也不适合在工程实际应用中应用。故结合冻结壁实际受水土压力情况，采用建立数值模型计算强度的方式来确定合理的冻结壁厚度。

3.1 水土压力情况

根据地质勘察资料，沈阳北站盾构开挖直径6.28m，截桩段隧道覆土厚度约27m，盾构穿越地层为为⑤4砾砂地层，该段地下水位位于隧顶上约14m。地质情况见图4，地层信息情况见表1。

图4 盾构截桩段地质纵剖面

表1 地层信息

浅埋盾构隧道按照松散荷载理论来确定土荷载可以满足设计需要［11］，冻结壁所受载荷主要为外部土压力和水压力，采用水土分算方法进行计算，围岩压力一般呈梯度均分布在冻结壁外。

考虑区间隧道断面洞身范围主要为⑤4砾砂地层，故采用太沙基松弛土压力计算公式进行计算。

（1） 确定覆土等效埋深。计算隧道上方塌落拱高度h0：

塌落拱高度高度h0=6.94m≤2D

式中，D为刀盘开挖直径，D=6.28m。故隧道拱顶土压力按照12.5m覆土进行计算。

（2） 水土压力计算。

冻结壁受力情况如图5所示，盾构受力以水土合力为主。

图5 冻结壁受力截面

冻结壁在水、土压力作用下发生变形，使冻结壁向地基位移，产生地基反力q3，在冻结壁水平直径上下各45°范围内分布。由于冻结壁内部有盾构机盾壳作为支撑，水平位移量较小。此处简化计算不予考虑。

3.2 数值模型

建立刀盘、盾体数值模型，刀盘与盾体距离较近，将刀盘、盾体整合为一个模型。刀盘直径6.28m，整体长度3.3m，刀盘、盾体采用碳钢Q355E材质。

建立冻结壁、土体模型，冻结壁和土体均采用采用理想弹塑性本构关系和Drucker-Prager屈服准则进行数值模拟［12］。

冻结壁材料选取冻结砾砂，根据相关试验资料［13］，选取-10℃冻结砾砂地层物理学参数如表2所示。

表2 冻结地层物理参数

对数值模型采用四面体网格进行划分，网格采用4面体划分如图6所示。

图6 数值模型网格划分

进行冻结时，盾构机驱动及主推系统需停机，刀盘、盾体相对于土体处于静止状态，冻结壁主要位于刀盘和盾体前部位置，刀盘、盾体因自身强度、刚度较高，在土体挤压条件下变形量相对较小。因此在数值分析时，可将刀盘、前盾作为冻结壁的支撑体，其冻结壁厚度可相较于联络通道冻结壁的1.6～2m［14］范围适当减小，预设刀盘前方冻结壁厚度为1m，盾体周边冻结壁厚度为1m，并进行数值分析验证。

3.3 数值分析

数值分析时对土体模型底部、刀盘和盾体模型外表面施加固定约束，土体四个立面施加辊轮约束。冻结壁主要受顶部水土压力、底部支撑力、侧向以深度为自变量线性增加的水土压力以及掌子面以深度为自变量线性增加的水土压力。

刀盘、盾体形成的冻结壁的应力云图见图7。对应力云图的分析显示，位于刀盘掌子面的冻结壁与刀盘结构开口接触的位置、与刀盘外围板接触位置存在不同程度的应力集中现象。开口位置应力集中范围主要在刀盘上半部分，最大应力出现在辐条近外圆环的翼板位置，最大应力为1.2MPa，开口位置应力较大主要原因在于刀盘开口位置无面板支撑，冻结壁在水平水、土合力的加载下具有内陷趋势，主要受到刀盘框架带来的剪切应力影响；与外围板应力集中则在冻结壁内侧角部位置，最大应力出现在顶部尖角位置，最大应力为3.5MPa。内侧角部应力较大主要原因在于冻结壁环形部分在刀盘、盾体支撑下基本受外力影响较小，但掌子面前方冻结壁由于无相应支撑而呈悬臂状态，受到垂直、水平水土压力的压力和弯矩影响整体呈向下栽头趋势，所以在容易发生应力集中的尖角位置显得相对薄弱。

图7 冻结壁应力云图

刀盘、盾体形成的冻结壁的位移云图见图8。对位移云图的分析显示，冻结壁位移主要出现在冻结壁外侧两肩部位置，垂直方向约呈45°，影响厚度约0.5m。随着冻结壁与刀盘距离越远，位移量越大，最大位移量为1.27mm。外侧两肩部位移量较大原因在于土体的垂直方向水土压力在冻结壁和盾构支撑下沿环面向两侧分散，受此剪切力的影响土体沿环面向下塌落趋势逐渐明显，在冻结壁肩部位置达到最大，后续由于受到冻结壁底部土压力的影响而逐渐减小，最终在腰部位置达到平衡，位移量降至最低。

图8 冻结壁位移云图

4 换刀分析

从应力方面分析，虽然冻结壁在刀盘开口以及外围板前端位置产生应力集中但最大应力仅为3.5MPa，冻结壁强度为8.34MPa，安全系数为2.4。且在刀盘外围板位置，为增加刀盘耐磨性，需补充焊接耐磨材料，耐磨材料与外围板呈圆滑过渡致使此位置冻结壁应力集中现象会相应减弱。

从位移方面分析，最大位移量仅为1.27mm，相对于冻结壁整体厚度较小，且位移主要发生在冻结壁外侧范围内，受影响冻结壁厚度约为0.5m，对于冻结壁内侧的换刀工作影响较小。

所以刀盘、盾体冻结壁采用水平方向1m、垂直方向1m厚度能够满足换刀要求。结合冻结壁受力情况及数值分析结果建议换刀顺序如下：

（1） 优先更换刀盘顶部靠近外侧刀具：刀盘外侧刀具相对内侧而言受扭矩大、运动线速度高，因而更容易发生磨损，同时，此位置为冻结壁强度最薄弱点，长时间开舱情况下，容易因冻结壁融化发生涌水、土体塌落现象，所以此位置刀具需优先更换。

（2） 刀盘开口位置刀具更换优先级高：刀盘面板能够提升刀盘整体强度、为刀箱提供安装空间同时能够支撑掌子面，但由于面板会阻碍渣土流动，导致面板位置易堆渣进而加剧此位置的刀具磨损，尤在刀盘开口、面板较宽位置，磨损更为剧烈。同时因冻结壁受到刀盘体剪切应力作用，所以此位置刀具更换优先级高。

（3） 刀盘底部刀具更换可适当延后：软弱地层掘进时，刀盘底部通常会存有不低于土舱高度1/3的渣土，能够起到支撑掌子面的作用。同时进行底部换刀时需预先开舱对底部渣土进行清理，开舱时由于隧道内空气对流不利于冻结交圈形成，影响冻结壁质量，所以底部刀具更换时机相较其他风险更高位置应适当延后。

（4） 注意换刀过程安全措施：从理论分析来看，在冻结壁内进行换刀是安全的，但从实际施工角度出发，换刀过程中仍应在冻结壁外围尖角、刀盘开口位置进行支撑。

5 结语

（1） 文中首先介绍了沈阳地铁4号线沈阳北站-皇寺广场站截桩工况，在不具备地面加固条件，穿越风险源过程中需更换刀具的情况下，可采用盾构冻结法作为地层紧急加固措施。

（2） 结合区间地层信息，设计适合区间砾砂地层掘进并能够实现冻结功能的刀盘、盾体，在此基础上进行冻结壁设计、分析。

（3） 通过对比已有的冻结壁厚度计算方法，结合沈阳北站截桩区实际工况、地勘报告及冻土物理性能指标，采用冻结壁受力计算加数值分析验证的方法确定合理的冻结壁设计厚度，刀盘、盾体冻结壁采用水平方向1m、垂直方向1m厚度是能够满足换刀要求。

（4） 根据分析结果，进一步给出在冻结壁内部开舱换刀的优先级，为工程实际应用提供指导意见。

在后续的研究工作中，可进一步分析冻结壁形成过程中的温度场以及开舱对于刀盘掌子面冻结壁的影响，为盾构本体实施冻结提供更多设计依据。